[论文解读] Temperature effects in luminescence of associated oxygen-carbon pairs in hexagonal boron nitride under direct optical excitation within 7-1100 K range

A. S. Vokhmintsev, I. A. Weinstein|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Luminescence Properties of Advanced Materials参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究在7 K至1100 K的温度范围内，对氧-碳（ONCN）共掺杂六方氮化硼（h-BN）在直接光激发下的温度依赖性光致发光进行了研究。研究识别出两条热猝灭通道及一个与束缚Wannier-Mott激子衰减相关的15 meV活化过程，结果表明，当温度高于220 K时，发光猝灭源于（ONCN）复合物内施主（ON中心，122 meV）和深受主（CN中心，1420 meV）能级的热电离。

ABSTRACT

We have studied the temperature dependencies of the photoluminescence (PL) intensity of 4.1 eV in microcrystalline powder of hexagonal boron nitride in the range of 7-1100 K. The results obtained have been analyzed within the band model of energy levels of associated donor-acceptor pairs based on impurity (ONCN) complexes. Luminescence enhancement processes at T<200 K and two independent channels of external thermal activation quenching are typical of the observable luminescence mechanisms under direct (4.26 eV) excitations of the samples. It has been shown that, at T>220 K, when directly excited, the samples diminish the PL intensity because of the processes of thermal ionization of the donor level of the ON-center (122 meV) and the deep acceptor level of the CN-center (1420 meV) as parts of the (ONCN)-complex. The temperature enhancement region with an activation energy of 15 meV is due to the decay of a bound Wannier-Mott exciton followed by transfer of excitation to the associated donor-acceptor pair.

研究动机与目标

• 理解氧-碳共掺杂六方氮化硼（h-BN）在宽温域范围内的温度依赖性光致发光（PL）行为。
• 识别在直接光激发下h-BN中主导的发光机制和猝灭路径。
• 分析杂质复合物，特别是（ONCN）施主-受主对，在调控PL强度随温度变化中的作用。
• 确定7–1100 K范围内发光增强与猝灭的活化能及机制。

提出的方法

• 在7 K至1100 K的温度范围内，对微晶态h-BN粉末在4.26 eV直接光激发下测量了光致发光（PL）强度。
• 通过与ONCN杂质复合物形成的施主-受主对相关的能级带模型分析了温度依赖性PL数据。
• 通过将PL强度衰减拟合到两个独立的热活化过程，识别出热猝灭机制。
• 通过活化能分析评估了束缚Wannier-Mott激子对发光的贡献，揭示出15 meV的活化势垒。
• 应用理论建模以解释ON中心（122 meV）和CN中心（1420 meV）的电离作为高温下主要猝灭路径。
• 本研究结合实验PL光谱与能级建模，解析了竞争性发光路径。

实验结果

研究问题

• RQ1 在氧-碳共掺杂h-BN中，低于200 K时观察到的光致发光强度增强是由什么引起的？
• RQ2 在T > 220 K时，导致PL强度下降的主导热猝灭机制是什么？
• RQ3 束缚Wannier-Mott激子的衰减如何促进能量转移至（ONCN）施主-受主对？
• RQ4 ON中心（122 meV）和CN中心（1420 meV）在导致发光猝灭的热电离过程中起什么作用？
• RQ5 低温发光增强相关的活化能是多少？其代表何种物理过程？

主要发现

• 在低于200 K的温度下，发光强度增加是由于与束缚Wannier-Mott激子衰减相关的15 meV活化过程，以及随后能量转移至（ONCN）施主-受主对所致。
• 在220 K以上，PL强度下降是由于（ONCN）复合物内ON中心（122 meV施主能级）和深CN中心（1420 meV受主能级）的热电离所致。
• 两条独立的热活化通道导致发光猝灭，表明非辐射弛豫存在不同的能量路径。
• 4.1 eV的光致发光峰归因于通过（ONCN）复合物的复合过程，其强度受激发与猝灭机制的竞争调控。
• 观测到的15 meV活化能与h-BN晶格中Wannier-Mott激子的结合能一致，支持其在能量转移中的作用。
• 本研究证实（ONCN）复合物在h-BN中作为稳定的发光中心，其光学响应强烈受温度依赖性电离和激子效应的调控。